JP4117499B2 - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関する。
光通信の分野において、面発光型半導体レーザは、安価で高性能な光源として大変注目されている。その中で、レンズ部を有する面発光型半導体レーザは、高出力でありながら、放射角を小さく維持することができる構造として期待されている（例えば下記特許文献１参照）。
特開２０００−７６６８２号公報
本発明の目的は、レンズ部を有する面発光型半導体レーザの高次モードの削減・低減を図り、かつ、高出力化を図ることにある。
本発明に係る第１の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
ｎ１＞ｎであり、
前記活性層において共振する光のうち、０次の共振モード成分の腹の位置における前記レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
前記活性層において共振する光のうち、１次の共振モード成分の腹の位置のうちの少なくとも一部における前記レンズ部の厚さは、λ／４ｎである。
本発明に係る面発光型半導体レーザによれば、前記１次の共振モード成分（高次の共振モード成分）の削減・低減を図ることができ、かつ、高出力化を図ることができる。このことは、後述する数値計算例においても確認されている。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
また、本発明において、「設計波長」とは、前記面発光型半導体レーザにおいて生じる光のうち強度が最大である光の波長をいう。
また、本発明において、「１次の共振モード成分」とは、最低次の次に発振する共振モード成分のことをいう。また、本発明において、モードの次数（０次や１次など）は、横方向に関する次数を意味する。
本発明に係る第２の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
ｎ１＜ｎであり、
前記活性層において共振する光のうち、０次の共振モード成分の腹の位置における前記レンズ部の厚さは、３λ／４ｎであり、
前記活性層において共振する光のうち、１次の共振モード成分の腹の位置のうちの少なくとも一部における前記レンズ部の厚さは、λ／２ｎである。
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記０次の共振モード成分の前記活性層の規格化エネルギーは、前記１次の共振モード成分の前記活性層の規格化エネルギーよりも大きいことができる。
本発明に係る第３の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
前記レンズ部の平面形状および前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、同心の円形であり、
設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
ｎ１＞ｎであり、
前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
前記レンズ部の平面形状と同心であって、半径Ｒの円形の円周における該レンズ部の厚さは、λ／４ｎであり、
前記半径Ｒは、下記式（１）で表される。
Ｒ＝（ｒ１／ｒ２）ａ ・・・（１）
但し、
ｒ１は、第一種１次のベッセル（Bessel）関数Ｊ１（ｒ）の１つ目の腹の位置であり、
ｒ２は、Ｊ１（ｒ）の１つ目の節の位置であり、
ａは、前記電流狭窄層の前記開口部の半径である。
本発明に係る第４の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
前記レンズ部の平面形状および前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、同心の円形であり、
設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
ｎ１＜ｎであり、
前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、３λ／４ｎであり、
前記レンズ部の平面形状と同心であって、半径Ｒの円形の円周における該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
前記半径Ｒは、下記式（１）で表される。
Ｒ＝（ｒ１／ｒ２）ａ ・・・（１）
但し、
ｒ１は、第一種１次のベッセル（Bessel）関数Ｊ１（ｒ）の１つ目の腹の位置であり、
ｒ２は、Ｊ１（ｒ）の１つ目の節の位置であり、
ａは、前記電流狭窄層の前記開口部の半径である。
本発明に係る第５の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、前記レンズ部の平面形状と同心であって、長さがａの第１辺および長さがｂの第２辺を有する矩形であり、
設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
ｎ１＞ｎであり、
前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
平面視において、前記開口部における前記第１辺に沿う中心線からの距離がｂ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、λ／４ｎであり、
平面視において、前記開口部における前記第２辺に沿う中心線からの距離がａ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、λ／４ｎである。
本発明に係る第６の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、前記レンズ部の平面形状と同心であって、長さがａの第１辺および長さがｂの第２辺を有する矩形であり、
設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
ｎ１＜ｎであり、
前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、３λ／４ｎであり、
平面視において、前記開口部における前記第１辺に沿う中心線からの距離がｂ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
平面視において、前記開口部における前記第２辺に沿う中心線からの距離がａ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、該レンズ部の厚さは、λ／２ｎである。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１． まず、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ（以下「面発光レーザ」ともいう）１００について説明する。
図１は、面発光レーザ１００を概略的に示す断面図であり、図２は、面発光レーザ１００を概略的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
面発光レーザ１００は、図１に示すように、基板１０１と、下部ミラー１０と、活性層１０３と、上部ミラー２０と、レンズ部６０と、絶縁層１１０と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を含むことができる。
基板１０１としては、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ基板などを用いることができる。
基板１０１上には、例えば第１導電型の下部ミラー１０が形成されている。下部ミラー１０は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーであることができる。低屈折率層は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）からなることができる。高屈折率層は、例えば、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）からなることができる。低屈折率層と高屈折率層の１ペアが例えば３７．５ペア積層されて、下部ミラー１０が形成されることができる。
下部ミラー１０の上には、活性層１０３が形成されている。活性層１０３は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層１０３には、例えば、不純物がドーピングされていないことができる。
活性層１０３の上には、例えば第２導電型（例えばｐ型）の上部ミラー２０が形成されている。上部ミラー２０は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーであることができる。低屈折率層は、例えば、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）からなることができる。高屈折率層は、例えば、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）からなることができる。低屈折率層と高屈折率層の１ペアが例えば２５ペア積層されて、上部ミラー２０が形成されることができる。
下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０は、垂直共振器を構成することができる。下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０を構成する各層の組成および層数は、必要に応じて適宜調整されることができる。上部ミラー２０、活性層１０３、および下部ミラー１０の一部は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）３０を構成することができる。柱状部３０の平面形状は、例えば図２に示すような円形などである。
また、例えば、下部ミラー１０および上部ミラー２０のうちの少なくとも一方を構成する層のうちの少なくとも１層を電流狭窄層１０５とすることができる。図１および図２に示す例では、電流狭窄層１０５は、上部ミラー２０を構成する層であり、活性層１０３に近い領域に形成されている。電流狭窄層１０５としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ層を酸化したものや、プロトンを打ち込んだものなどを用いることができる。電流狭窄層１０５は、開口部を有する絶縁層であり、リング状に形成されている。電流狭窄層１０５の開口部の平面形状は、例えば図２に示すような円形などである。電流狭窄層１０５としてプロトンを打ち込んだものなどを用いる場合のように、電流経路により光学的なモードが確定される場合（ｇａｉｎ ｇｕｉｄｅの場合）には、後述する第２電極１０９の開口部の平面形状も円形であることが望ましい。
上部ミラー２０上には、レンズ部６０が形成されている。レンズ部６０の上面は、例えば、図１に示すように、凸レンズ形状を有することができる。レンズ部６０の形状は、例えば、球体の一部を切り取った形状、回転楕円体の一部を切り取った形状などであることができる。レンズ部６０の平面形状は、例えば、円形、楕円形、矩形（正方形および長方形を含む）などであることができる。本実施形態に係る面発光レーザ１００では、レンズ部６０の上面からレーザ光が出射されることができる。レンズ部６０は、このレーザ光の少なくとも一部が透過する材料からなることができる。レンズ部６０は、例えば、半導体、誘電体、樹脂等の非金属などからなることができる。レンズ部６０は、例えば、ＡｌＧａＡｓなどからなることができる。
本実施形態に係る面発光レーザ１００では、設計波長λの光に対する上部ミラー２０の最上層の屈折率ｎ１を、例えば、設計波長λの光に対するレンズ部６０の屈折率ｎよりも大きくすることができる。この場合において、活性層１０３において共振する光のうち、０次の共振モード成分（以下「０次モード」ともいう）の腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ０は、λ／２ｎである。そして、活性層１０３において共振する光のうち、１次の共振モード成分（以下「１次モード」ともいう）の腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ１は、λ／４ｎである。なお、図１には、０次モードを「０ｔｈ」として、１次モードを「１ｓｔ」として概略的に示してある。
例えば、レンズ部６０の平面形状および電流狭窄層１０５の開口部の平面形状が同心の円形である場合には、図１および図２に示すように、０次モードの腹の位置は、レンズ部６０の平面形状の中心である。そして、１次モードの腹は、平面視において、レンズ部６０の平面形状と同心であって、半径Ｒの円形の円周上に位置している。この半径Ｒは、下記式（１）で表される。
Ｒ＝（ｒ１／ｒ２）ａ ・・・（１）
但し、ｒ１は、第一種１次のベッセル（Bessel）関数Ｊ１（ｒ）の１つ目の腹の位置であり、ｒ２は、Ｊ１（ｒ）の１つ目の節の位置であり、ａは、電流狭窄層１０５の開口部の半径である。なお、上記式（１）は、以下のようにして求められる。
面発光レーザ１００の１次モードの電界分布（面内成分）は、光ファイバのモードで近似されることにより、例えば、
Ｅｒ（ｒ，θ）＝Ｅ０Ｊ１（ｕｒ／ａ）ｓｉｎθ ・・・（２）
と表される。但し、Ｅ０は、ｒ＝０での振幅であり、ｕは、下記式（３）で表される。
Figure 0004117499
但し、ｋ０は、真空中における波数であり、ｎｃは、コア（電流狭窄層１０５の内側）部の屈折率であり、βは、伝播定数（デバイス内における垂直方向の波数成分）である。
面発光レーザ１００において、光学的なモードは電流狭窄層１０５で決定されているため、ｒ＝ａで節になる。従って、１次モードの場合には、上記式（２）においてｒ＝ａとすると、括弧内のｕｒ／ａは、Ｊ１の最初の零点ｒ２に一致しなければならない。よって、
ｒ２＝ｕａ／ａ＝ｕ ・・・（４）
となる。同様に、ｒ＝Ｒで１次モードが腹になるとすると、上記式（２）において、括弧内のｕｒ／ａは、Ｊ１の最初の腹ｒ１に一致しなければならない。よって、
ｒ１＝ｕＲ／ａ ・・・（５）
となる。上記式（４）よりｕ＝ｒ２を上記式（５）に代入すれば、１次モードの腹の位置Ｒは、
Ｒ＝（ｒ１／ｒ２）ａ ・・・（１）
と求められる。なお、ｒ１およびｒ２には、第一種１次のベッセル関数の値を用いることができ、ｒ１は、約１．８４１であり、ｒ２は、約３．８３２である。従って、上記式（１）は、
Ｒ≒０．４８０ａ ・・・（１’）
となる。例えば、電流狭窄層１０５の開口部の半径ａが６．５μｍの場合には、１次モードの腹の位置Ｒは約３．１２μｍとなる。
基板１０１の裏面（下部ミラー１０側とは逆側の面）には、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７は、基板１０１を介して、下部ミラー１０と電気的に接続されている。第１電極１０７は、例えば、下部ミラー１０の上面上に形成されることもできる。
上部ミラー２０および絶縁層１１０の上には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、上部ミラー２０と電気的に接続されている。第２電極１０９の平面形状は、例えばリング状などである。第２電極１０９は、柱状部３０上に開口部を有する。開口部の平面形状は、例えば図２に示すような円形などである。第２電極１０９には、例えば引き出し線８０の一端が接続されている。引き出し線８０の他端は、例えば電極パッド（図示せず）と接続されていることができる。
絶縁層１１０は、下部ミラー１０の上に形成されている。絶縁層１１０は、柱状部３０を取り囲むように形成されている。絶縁層１１０は、第２電極１０９と下部ミラー１０を電気的に分離させることができる。
２． 次に、本実施形態に係る面発光レーザ１００の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。
図３および図４は、図１および図２に示す本実施形態の面発光レーザ１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。
（１）まず、図３に示すように、基板１０１として、例えばｎ型ＧａＡｓ基板を用意する。次に、基板１０１の上に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜１５０を形成する。半導体多層膜１５０は、下部ミラー１０、活性層１０３、上部ミラー２０、およびレンズ部６０を構成する半導体層を順に積層したものである。なお、例えば、上部ミラー２０を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電流狭窄層１０５となる被酸化層とすることができる。被酸化層としては、例えば、Ａｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
次に、図３に示すように、半導体多層膜１５０の上にリソグラフィ技術を用いて所定のパターンの第１レジスト層Ｒ１を形成する。
（２）次に、第１レジスト層Ｒ１をマスクとして、下部ミラー１０の一部、活性層１０３、上部ミラー２０、およびレンズ部６０を構成する半導体層をエッチングすることにより、図４に示すように、柱状の半導体堆積体３２を形成する。
次に、第１レジスト層Ｒ１を加熱およびリフローする。即ち、溶融した第１レジスト層Ｒ１を流動させる。これにより、第１レジスト層Ｒ１は、表面張力の影響を受けて、図４に示すような凸レンズ状に変形し、第２レジスト層Ｒ２が形成される。
（３）次に、第２レジスト層Ｒ２およびレンズ部６０をエッチングし、図１および図２に示すように、レンズ部６０の上面を凸レンズ形状にする。このエッチングでは、本工程を行う前の第２レジスト層Ｒ２の形状を反映させながら、レンズ部６０に凸レンズ形状を転写することができる。また、本エッチング工程では、下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０もエッチングされることができる。これにより、図１および図２に示すように、所望の形状の柱状部３０を形成することができる。
（４）次に、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部３０が形成された基板１０１を投入することにより、前述の被酸化層を側面から酸化して、図１および図２に示すように、電流狭窄層１０５を形成する。なお、電流狭窄層１０５は、プロトンを打ち込むことにより形成されることもできる。
次に、図１および図２に示すように、下部ミラー１０上に、柱状部３０を取り囲むように絶縁層１１０を形成する。まず、例えばスピンコート法等を用いて全面にポリイミド樹脂等からなる絶縁層を形成する。次に、例えばＣＭＰ法等を用いて柱状部３０の上面を露出させる。次に、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術等を用いて絶縁層をパターニングする。このようにして所望の形状の絶縁層１１０を形成することができる。
（５）次に、図１および図２に示すように、第１電極１０７および第２電極１０９を形成する。これらの電極は、例えば、真空蒸着法およびリフトオフ法の組み合わせ等により、所望の形状に形成されることができる。なお、各電極を形成する順番は、特に限定されない。
（６）以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の面発光レーザ１００が得られる。
３． 次に、数値計算例について説明する。数値計算には、２次元の時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いた。
まず、レンズ部６０の平面形状の中心の厚さｈ０を変化させて、０次モードと１次モードにおける活性層１０３内のエネルギーを計算した。活性層１０３のエネルギーは、レンズ部６０を有しない場合の値を元にモードごとに規格化してある。即ち、０次モードにおける活性層１０３のエネルギーは、レンズ部６０を有しない状態での０次モードのエネルギーで割った値であり、１次モードにおける活性層１０３のエネルギーは、レンズ部６０を有しない状態での１次モードのエネルギーで割った値である。本発明では、規格化後の活性層１０３のエネルギーを「活性層の規格化エネルギー」と呼ぶこととする。また、レンズ部６０で斜めに反射して活性層１０３に戻る光も増幅されるように、活性層１０３には等方的にゲインを加えて計算を行った。なお、レンズ部６０の平面形状の外径が小さい方が、コア(電流狭窄層１０５の内側)の光がレンズ部６０の斜めの部分に当たり易くなるため、レンズ部６０で斜めに反射する成分は増加する。
各サンプルの構造は、以下の通りである。
基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ基板（屈折率３．６２）
下部ミラー１０の１ペア：ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）と、その上に形成されたｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）
下部ミラー１０の１ペアの厚さ：１２９．９８１ｎｍ
下部ミラー１０のペア数：３７．５ペア
活性層１０３：ＧａＡｓ層（屈折率３．６２０１）とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層（屈折率３．４２９７）とからなる量子井戸構造を３層重ねた３ＱＷ構造
活性層１０３の厚さ：２５１．１９５ｎｍ
上部ミラー２０の１ペア：ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）と、その上に形成されたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）
上部ミラー２０の１ペアの厚さ：１２９．９８１ｎｍ
上部ミラー２０のペア数：２５ペア
上部ミラー２０の最上層：ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率ｎ１＝３．５２５）
レンズ部６０：Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率ｎ＝３．０４９）
レンズ部６０の平面形状：円形
絶縁層１１０：ポリイミド樹脂（屈折率１．７８）
面発光レーザ１００の外部空間４０：空気（屈折率１．００）
柱状部３０の傾斜角（ポスト傾斜角）θ：８０度
平面視における柱状部３０の外径（直径）：約５０μｍ
柱状部３０における下部ミラー１０のペア数：４ペア
電流狭窄層１０５：活性層１０３上の１層目のＡｌＧａＡｓ層を酸化したもの（屈折率１．６）
電流狭窄層１０５の厚さ：３０ｎｍ
電流狭窄層１０５の開口部の半径ａ：６．５μｍ
設計波長λ：８５０ｎｍ
計算結果を図５および図６に示す。図５は、レンズ部６０の平面形状の外径（半径）Ｌが７．５μｍの場合であり、図６は、２．５μｍの場合である。ここでは、レンズ部６０の断面形状は円弧とし、レンズ部６０の中心の厚さｈ０を変化させながら、各モードの活性層エネルギーの計算を行った。横軸は、レンズ部６０の中心の厚さｈ０であり、縦軸は、活性層の規格化エネルギーである。図５および図６に示すように、レンズ部６０の外径Ｌに依らず、０次モードと１次モードは、レンズ部６０の厚さｈ０に対して、共に周期的な振る舞いを示している。０次モードに関しては、レンズ部６０の厚さｈ０がλ／４ｎの偶数倍である場合（垂直方向の反射率が高いと考えられる場合）に、活性層の規格化エネルギーが大きくなっている。また、レンズ部６０の厚さｈ０がλ／４ｎの奇数倍である場合（垂直方向の反射率が低いと考えられる場合）に、活性層の規格化エネルギーが小さくなっている。また、レンズ部６０の厚さｈ０を大きくすると、レンズ部６０の曲率が大きく(曲率半径が小さく)なるが、レンズ部６０の曲率が大きくなるほど、各モードに関する活性層の規格化エネルギーの極大値と極小値の差が小さくなっている。これは、レンズ部６０の曲率が大きくなると、中心付近における厚さの変化率が大きいために、レンズ部６０の中心付近における厚さｈ０が、λ／４ｎの奇数倍または偶数倍に固定されている効果が小さくなり、平均的な厚さとして作用してしまうためと考えられる。
また、図５および図６に示すように、レンズ部６０の厚さｈ０に対する１次モードの活性層の規格化エネルギーの極大値と極小値の周期は、０次モードの周期よりも大きい。これは、図１に示すように、１次モードが主に存在する部分は、０次モードに比べて外側なので、１次モードが主として感じるレンズ部６０の厚さ（１次モードの腹の位置におけるレンズ部の厚さ）ｈ１が、中心の厚さｈ０よりも小さくなっているためと考えられる。つまり、図５および図６から、１次モードに関しては、その腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ１がλ／４ｎの偶数倍である場合に、活性層の規格化エネルギーが大きくなっており、λ／４ｎの奇数倍である場合に、活性層の規格化エネルギーが小さくなっていることが分かる。
次に、レンズ部６０の厚さｈ０に対する下方向（活性層１０３を基準として下部ミラー１０側の方向）の光出力強度の関係を図７に示す。レンズ部６０の平面形状の外径Ｌが２．５μｍの場合には、図７に示すように、レンズ部６０の厚さｈ０を大きくして（曲率を大きくして）、レンズ部６０で斜めに反射する光成分を増加させると、下方向の光出力強度が増加する。つまり、斜め方向に光を反射させても、ＤＢＲミラーの反射方向とは異なるため、そのまま基板１０１まで達してしまう。なお、光は最終的には基板１０１に吸収されるが、計算上は光が基板１０１にあまり入射しないうちに光出力強度を算出している。
本実施形態に係る面発光レーザ１００では、０次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ０がλ／２ｎであり、１次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ１がλ／４ｎである。この面発光レーザ１００によれば、図５および図６に示すように、活性層の規格化エネルギーを０次モードについては大きくすることができ、１次モードについては小さくすることができ、かつ、図７に示すように、レンズ部６０の曲率が大きい場合に比べ、下方向の光出力強度を低く抑えることができる。
次に、レンズ部６０の上面の断面形状における楕円弧（円弧を含む）の中心深さに対する活性層の規格化エネルギーの関係を図８に示す。０次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ０はλ／２ｎであり、１次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ１はλ／４ｎである。また、円弧（真円の弧）の場合の中心深さ(上部ミラー２０の上面から下方向に１０９．８μｍの位置)を基準（１．０）としている。
本実施形態に係る面発光レーザ１００によれば、図８に示すように、楕円弧の中心深さに依らず、０次モードと１次モードの活性層の規格化エネルギーの差を約７％以上とすることができた。これにより、１次モードがレーザ発振するのに必要な電流値を大きくすることができるため、レンズ部６０以外の構造が同じ面発光レーザを比べた場合には、本実施形態に係る面発光レーザ１００の方が、より高い電流値までシングルモードを維持することができる。従って、本実施形態に係る面発光レーザ１００によれば、例えばシングルモード化かつ高出力化を図ることができる。なお、図８に示すように、楕円弧の中心深さを変化させても０次モードと１次モードの活性層の規格化エネルギーの差が殆ど変わらないのは、０次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の上面の曲率半径が、１次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の上面の曲率半径と殆ど同じ値のままだからである。
４． 次に、本実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施例（以下「面発光レーザ１００の例」という）と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
（１）まず、第１の変形例について説明する。
本変形例では、設計波長λの光に対する上部ミラー２０の最上層の屈折率ｎ１を、設計波長λの光に対するレンズ部６０の屈折率ｎよりも小さくすることができる。この場合において、０次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ０は、３λ／４ｎであり、１次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ１は、λ／２ｎである。
（２）次に、第２の変形例について説明する。
図９は、本変形例に係る面発光レーザ２００を概略的に示す断面図であり、図１０は、面発光レーザ２００を概略的に示す平面図である。なお、図９は、図１０のIX−IX線断面図である。
本変形例では、電流狭窄層１０５の開口部の平面形状は、図１０に示すように、レンズ部６０の平面形状と同心であって、長さがａの第１辺および長さがｂの第２辺を有する矩形（正方形および長方形を含む）であることができる。レンズ部６０の平面形状は、例えば、円形、楕円形、矩形などであることができる。図示の例では、電流狭窄層１０５の開口部の平面形状は正方形であり、レンズ部６０の平面形状は円形である。
本変形例では、上部ミラー２０の最上層の屈折率ｎ１がレンズ部６０の屈折率ｎよりも大きい場合には、０次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ０は、λ／２ｎであり、１次モードの腹の位置のうちの少なくとも一部におけるレンズ部６０の厚さｈ１は、λ／４ｎである。また、上部ミラー２０の最上層の屈折率ｎ１がレンズ部６０の屈折率ｎよりも小さい場合には、０次モードの腹の位置におけるレンズ部６０の厚さｈ０は、３λ／４ｎであり、１次モードの腹の位置のうちの少なくとも一部におけるレンズ部６０の厚さｈ１は、λ／２ｎである。
本変形例の場合には、図９および図１０に示すように、０次モードの腹の位置は、レンズ部６０の平面形状の中心である。１次モードの電界分布は、矩形導波路と同様に正弦波状となるので、その腹は、図１０に示すように、平面視において、電流狭窄層１０５の開口部における第１辺に沿う中心線７０からの距離がｂ／４である位置７２、および、第２辺に沿う中心線７４からの距離がａ／４である位置７６に存在する。図１０には、１次モードの腹の位置７２，７６のうちの少なくとも一部におけるレンズ部６０の厚さｈ１の等高線６２を便宜上記載してある。例えば図１０に示す例では、１次モードの腹が存在する直線状の位置７２，７６のうち、電流狭窄層１０５の開口部の中心線７０，７４と交差する点におけるレンズ部６０の厚さがｈ１となっている。レンズ部６０の厚さｈ１の等高線６２の成す平面形状は、例えば、円形、楕円形、矩形などであり、図示の例では円形である。
（３）次に、第３の変形例について説明する。
面発光レーザ１００の例では、レンズ部６０を形成する方法として、例えば半導体層をエピタキシャル成長させて、該半導体層をパターニングして形成する方法について説明したが、レンズ部６０は、例えば樹脂材料等を用いて、インクジェット法等の液滴吐出法により形成されることもできる。
（４）次に、第４の変形例について説明する。
本変形例では、例えば、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）法などを用いて、面発光レーザの基板１０１を切り離すことができる。即ち、面発光レーザは、基板１０１を有しないことができる。
なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
５． 上述した面発光レーザ（変形例を含む）によれば、１次モード（高次モード）の削減・低減を図ることができ、かつ、高出力化を図ることができる。このことは、上述した数値計算例においても確認されている。また、上述した面発光レーザによれば、１次モードを削減することができるため、１次モードが削減されていない場合に比べ、面発光レーザから出射されるレーザ光の放射角を狭くすることができる。
６． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、上述した本発明の実施形態に係る面発光レーザは、各種光モジュールや光伝送装置などに好適に用いられることができる。
本実施形態に係る面発光レーザを概略的に示す断面図。 本実施形態に係る面発光レーザを概略的に示す平面図。 本実施形態の面発光レーザの一製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の面発光レーザの一製造工程を概略的に示す断面図。 レンズ部厚さに対する各モードの規格化エネルギーの計算結果を示す図。 レンズ部厚さに対する各モードの規格化エネルギーの計算結果を示す図。 レンズ部厚さに対する各モードの下方向の光出力強度の計算結果を示す図。 レンズ部中心深さに対する各モードの規格化エネルギーの計算結果。 本実施形態に係る面発光レーザの変形例を概略的に示す断面図。 本実施形態に係る面発光レーザの変形例を概略的に示す断面図。
符号の説明
１０ 下部ミラー、２０ 上部ミラー、３０ 柱状部、３２ 半導体堆積体、６０ レンズ部、６２ 厚さｈ１の等高線、７０ 中心線、７２ １次モードの腹の位置、７４ 中心線、７６ １次モードの腹の位置、８０ 引き出し線、１００ 面発光型半導体レーザ、１０１ 基板、１０３ 活性層、１０５ 電流狭窄層、１０７ 第１電極、１０９ 第２電極、１１０ 絶縁層、１５０ 半導体多層膜，２００ 面発光レーザ

Claims (7)

  1. 下部ミラーと、
    前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
    前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
    設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
    ｎ１＞ｎであり、
    前記活性層において共振する光のうち、０次の共振モード成分の腹の位置における前記レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
    前記活性層において共振する光のうち、１次の共振モード成分の腹の位置のうちの少なくとも一部における前記レンズ部の厚さは、λ／４ｎである、面発光型半導体レーザ。
  2. 下部ミラーと、
    前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
    前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
    設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
    ｎ１＜ｎであり、
    前記活性層において共振する光のうち、０次の共振モード成分の腹の位置における前記レンズ部の厚さは、３λ／４ｎであり、
    前記活性層において共振する光のうち、１次の共振モード成分の腹の位置のうちの少なくとも一部における前記レンズ部の厚さは、λ／２ｎである、面発光型半導体レーザ。
  3. 請求項１または２において、
    前記０次の共振モード成分の前記活性層の規格化エネルギーは、前記１次の共振モード成分の前記活性層の規格化エネルギーよりも大きい、面発光型半導体レーザ。
  4. 下部ミラーと、
    前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
    前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
    前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
    前記レンズ部の平面形状および前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、同心の円形であり、
    設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
    ｎ１＞ｎであり、
    前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
    前記レンズ部の平面形状と同心であって、半径Ｒの円形の円周における該レンズ部の厚さは、λ／４ｎであり、
    前記半径Ｒは、下記式（１）で表される、面発光型半導体レーザ。
    Ｒ＝（ｒ１／ｒ２）ａ ・・・（１）
    但し、
    ｒ１は、第一種１次のベッセル（Bessel）関数Ｊ１（ｒ）の１つ目の腹の位置であり、
    ｒ２は、Ｊ１（ｒ）の１つ目の節の位置であり、
    ａは、前記電流狭窄層の前記開口部の半径である。
  5. 下部ミラーと、
    前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
    前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
    前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
    前記レンズ部の平面形状および前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、同心の円形であり、
    設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
    ｎ１＜ｎであり、
    前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、３λ／４ｎであり、
    前記レンズ部の平面形状と同心であって、半径Ｒの円形の円周における該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
    前記半径Ｒは、下記式（１）で表される、面発光型半導体レーザ。
    Ｒ＝（ｒ１／ｒ２）ａ ・・・（１）
    但し、
    ｒ１は、第一種１次のベッセル（Bessel）関数Ｊ１（ｒ）の１つ目の腹の位置であり、
    ｒ２は、Ｊ１（ｒ）の１つ目の節の位置であり、
    ａは、前記電流狭窄層の前記開口部の半径である。
  6. 下部ミラーと、
    前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
    前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
    前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
    前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、前記レンズ部の平面形状と同心であって、長さがａの第１辺および長さがｂの第２辺を有する矩形であり、
    設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
    ｎ１＞ｎであり、
    前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
    平面視において、前記開口部における前記第１辺に沿う中心線からの距離がｂ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、λ／４ｎであり、
    平面視において、前記開口部における前記第２辺に沿う中心線からの距離がａ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、λ／４ｎである、面発光型半導体レーザ。
  7. 下部ミラーと、
    前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
    前記上部ミラーの上方に形成されたレンズ部と、を含み、
    前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方は、電流狭窄層を有し、
    前記電流狭窄層の開口部の平面形状は、前記レンズ部の平面形状と同心であって、長さがａの第１辺および長さがｂの第２辺を有する矩形であり、
    設計波長をλ、前記設計波長の光に対する前記上部ミラーの最上層の屈折率をｎ１、前記設計波長の光に対する前記レンズ部の屈折率をｎとした場合に、
    ｎ１＜ｎであり、
    前記レンズ部の平面形状の中心における該レンズ部の厚さは、３λ／４ｎであり、
    平面視において、前記開口部における前記第１辺に沿う中心線からの距離がｂ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、該レンズ部の厚さは、λ／２ｎであり、
    平面視において、前記開口部における前記第２辺に沿う中心線からの距離がａ／４である位置のうちの少なくとも一部における該レンズ部の厚さは、該レンズ部の厚さは、λ／２ｎである、面発光型半導体レーザ。
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